测控电路-12第十章-逻辑与数字控制电路2

1、第十章逻辑控制电路第十章逻辑控制电路 w 二值可控元件驱动电路二值可控元件驱动电路 w 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 第十章逻辑控制电路第十章逻辑控制电路 一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路 晶体管直流负载功率驱动电路晶体管直流负载功率驱动电路 场效应管直流负载功率驱动电路场效应管直流负载功率驱动电路 晶闸管交流负载功率驱动电路晶闸管交流负载功率驱动电路 二、继电器与电磁阀驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路 三、步进电动机驱动电路三、步进电动机驱动电路 异步电动机的二值控制电路异步电动机的二值控制电路 步进电动机驱动电路步进电动机驱动电路 一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路 分类：

2、分类： 按照电路中所采用的功率器件类型分类，按照电路中所采用的功率器件类型分类， 常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱 动电路和晶闸管驱动电路等类型。动电路和晶闸管驱动电路等类型。 按照电路所驱动的负载类型分类，常见按照电路所驱动的负载类型分类，常见 的有电阻性负载驱动电路和电感性负载的有电阻性负载驱动电路和电感性负载 驱动电路等类型。驱动电路等类型。 按照电路所控制的负载电源类型分类，按照电路所控制的负载电源类型分类， 常见的有直流电源负载驱动电路和交流常见的有直流电源负载驱动电路和交流 电源负载驱动电路等类型电源负载驱动电路等类型 （一）晶体管（一）晶体管

3、直流负载直流负载 功率驱动电路功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 图8-1晶体管功率驱动电路 VD是续流二极管，对晶体管V起 保护作用。当驱动感性负载时， 在晶体管关断瞬间，感性负载所 存储的能量可通过VD的续流作用 而泄放，从而避免被反向击穿 (I)当控制信号Ui为低电平时，I b 较小, 晶体管V截止，负载ZL中电 流IL为0； (II)当控制信号Ui为高电平时，I b 较大, 晶体管V导通（工作于饱和 区），负载ZL中电流 IL = (EcUce) / ZL，Uce为晶体管 V集电极与发射极间的饱和电压 降。 （一）晶体管直流负载功率驱动电路（一）晶体管直流负载

4、功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 图8-1晶体管功率驱动电路 负载所需的电流不太大 设计要点设计要点: 合理确定合理确定Ui、R与与V的电的电 流放大系数流放大系数 值之间的值之间的 数值关系，充分满足数值关系，充分满足 I b I L / ，可确保可确保V 导通时工作于饱和区，导通时工作于饱和区， 以降低以降低V的导通电阻及减的导通电阻及减 小功耗。小功耗。 （二）场效应晶体管（二）场效应晶体管 直流负载直流负载 功率驱动电路功率驱动电路 用于功率驱动电路的场效应晶体管称为用于功率驱动电路的场效应晶体管称为 功率场效应晶体管。功率场效应晶体管功率场效应晶体管。功率

5、场效应晶体管 是电压控制器件，是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，具有很高的输入阻抗， 所需的驱动功率很小，所需的驱动功率很小，对驱动电路要求对驱动电路要求 较低。功率场效应晶体管具有较高的开较低。功率场效应晶体管具有较高的开 启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干 扰能力。扰能力。 场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应 管，亦称管，亦称MOS场效应管。功率场效应场效应管。功率场效应 晶体管在制造中多采用晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简沟槽工艺，简 称为称为VMOS场效应管。其改进型则称为场效应管。其改进型则称为 TMOS场效应管

6、场效应管 图8-2场效应晶体管功率驱动电路 a)VMOS场效应管电极b)场效应管驱动电路 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b) a) 漏极 D 栅极 G V DS 源极 S （三）晶闸管交流负载功率驱动电路（三）晶闸管交流负载功率驱动电路 交流负载的功率驱动电路，通交流负载的功率驱动电路，通 常采用晶闸管来构成。晶闸管常采用晶闸管来构成。晶闸管 有单向晶闸管和双向晶闸管两有单向晶闸管和双向晶闸管两 种类型。种类型。 图8-3a 单向晶闸管图形符号 阳 极A 门 极G 阴 极K 单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR） 一、导通条件一、导通条件 二、关断条件二、关断条件 晶闸管导通条件：

7、晶闸管导通条件： 在阳极在阳极A与阴极与阴极K之间加正向电压，同时在之间加正向电压，同时在 门极门极G与阴极与阴极K之间加正向电压（触发），之间加正向电压（触发）， 这样阳极这样阳极A与阴极与阴极K之间即进入导通状态。之间即进入导通状态。 晶闸管一旦导通，只要阳极晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极与阴极K之间之间 的电流不小于其维持电流的电流不小于其维持电流IH，门极门极G与阴极与阴极 K之间是否还存在正向电压，对已经导通的之间是否还存在正向电压，对已经导通的 晶闸管完全没有影响。晶闸管完全没有影响。 阳极A 门极G 阴极K 晶闸管关断条件：晶闸管关断条件： 主电极阳极主电极阳极A与阴极与阴极K

8、之间的电流小于其维持电之间的电流小于其维持电 流流IH，晶闸管即进入关断状态。晶闸管即进入关断状态。 电 极M T 2 门 极G 电 极M T 1 图8-3b 双向晶闸管图形符号双向晶闸管图形符号 双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC） 与单向晶闸管相比较，与单向晶闸管相比较， 双向晶闸管的主要区别双向晶闸管的主要区别 是：是： 在触发之后是双在触发之后是双 向导通的；向导通的； 触发电压不分极触发电压不分极 性，只要绝对值达到触性，只要绝对值达到触 发门限值即可使双向晶发门限值即可使双向晶 闸管导通。闸管导通。 图图8-4交流半波导通功率驱动电路交流

9、半波导通功率驱动电路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2 C ZL IL +E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e (I)控制信号Ui为高电平 Ui=1 V1截止 Uc足够高 V2管e与 b1导通 V3导通 Uc-0 u-0时， V3截止 图图8-4交流半波导通功率驱动电路交流半波导通功率驱动电路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2 C ZL IL +E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e (II)控制信号Ui为低电平 Ui=0 V1导通 Uc电压低 V2管e与 b1截止 V3截止

10、R5很大 IL=0 实用中应注意实用中应注意: 如果驱动的是感性负载，必须设置合理如果驱动的是感性负载，必须设置合理 的关断泄流回路，一方面可保护开关器的关断泄流回路，一方面可保护开关器 件，另外也可起到消除对外电磁干扰的件，另外也可起到消除对外电磁干扰的 作用。作用。 二、继电器与电磁阀驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路 继电器广泛用于生产控制和电力系统中，继电器广泛用于生产控制和电力系统中， 具有接触电阻小、流通电流大和耐压高具有接触电阻小、流通电流大和耐压高 等优点，至今仍无法用无触点器件取代等优点，至今仍无法用无触点器件取代 对继电器或接触器的驱动，实际上是对对继电器或接触器的驱动，实

11、际上是对 其励磁线圈电流通断的控制。继电器励其励磁线圈电流通断的控制。继电器励 磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两 种。种。 图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 3-相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 控制信号 Ui=0 直流继电器 KD1励磁线圈 无电流 活动触点KD1-1 在常闭端 交流继电器 KA1励磁线圈 无电流 活动触点KA1-1 在常闭端 无电压输出 图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 3-相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +

12、5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 控制信号 Ui=1 直流继电器 KD1励磁线圈 有电流 KD1-1闭合 交流继电器 KA1励磁线圈 有电流 KA1-1闭合 有电压输出 三、步进电动机驱动电路三、步进电动机驱动电路 步进电动机简称步进电机，可在开环条步进电动机简称步进电机，可在开环条 件下十分方便地将数字系统的脉冲数转件下十分方便地将数字系统的脉冲数转 变成与其相对应的角位移或线位移，因变成与其相对应的角位移或线位移，因 而是控制系统中常用的自动化执行元件。而是控制系统中常用的自动化执行元件。 举例：举例： 反应式步进电动机反应式步进电动机 极

13、与极之间的夹角为极与极之间的夹角为60，每个定子磁极上均匀分布了五，每个定子磁极上均匀分布了五 个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为9。转子铁心上无绕组，只有。转子铁心上无绕组，只有 均匀分布的均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为个齿，齿槽距相等，齿距角为360/409 。 绕组绕组 定子铁心定子铁心 转子铁心转子铁心 （1）反应式步进电动机的结构）反应式步进电动机的结构 单段式三相反单段式三相反 应式步进电动机应式步进电动机 的结构：的结构： 定子铁心上有定子铁心上有 六个均匀分布的六个均匀分布的 磁极，沿直径相磁极，沿直径相 对两个极上的线对两个极上的线 圈串联，构成一

14、圈串联，构成一 相励磁绕组。相励磁绕组。 （2）反应式步进电动机的工作原理）反应式步进电动机的工作原理 按电磁吸引的原理工作的。按电磁吸引的原理工作的。必须抓住两点： 磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩磁力线力图走磁阻最小的路径，从而产生反应力矩 各相定子齿之间彼此错齿各相定子齿之间彼此错齿1/m齿距，齿距，m为相数为相数 几个概念的含义： “拍”定子相绕组每改变一次 通电状态，称为“一拍”。 “单”指只有一相绕组通电。 “双”指有两相绕组同时通电。 A A B B C C 定子 转子 绕组 图图8-6 步进电步进电 动机控动机控 制电路制电路 框图框图 A+ 步进脉冲 脉 功 B+

15、 冲 率 C+ 步进方向 分 放 A 配 大 B 电源控制 电 电 C 路 路 电动机 w脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步 进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各 相脉冲序列信号。相脉冲序列信号。 w功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放 大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。 w步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改 变步进电机旋转方向。变步进电机旋转方向。 电源控制

16、信号用来在必要时使各相电流为零，电源控制信号用来在必要时使各相电流为零， 以达到降低功耗等的目的。以达到降低功耗等的目的。 w 脉冲分配电路可用数字电路组合、软件 序列分配、专门单片集成元件、GAL器件 等构成。 w功率放大电路的特性对步进电机的性能 有极其明显的影响。功率放大电路有单 电压、双电压、斩波稳流、步距细分等 类型。 （一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路 图图8-7单电压功率放大电路单电压功率放大电路 Ui VD VS R RL RC L IL V +Ec 步进电机每相绕组 的供电都是由功率 开关电路来执行的， 三相步进电机应有 三个功率放大电路 单元 图图8-8绕组电

17、流绕组电流I L的波形的波形 a）Ui频率低时频率低时b）Ui频率高时频率高时 Ui IL a) Ui IL b) 同时增大外接电阻RC和电源电压Ec，可 使步进电机转速高时的输出转矩显著提 高，但同时使功耗急剧增大 功耗的增加一方面降低了效率，使电源 体积庞大；另一方面引起电气部件发热， 增大系统故障的发生率。为此，发展了 双电压、斩波稳流等驱动电路 （二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路 图图8-9斩波稳流式功率放大电路斩波稳流式功率放大电路 光耦合器 UR +80V VLC - + + N & 1 R D C Q DG1 DG2 DF R1 R2 R3 R4 R1 RL

18、 Up Ui VS2 VD2 VS1 V1 VD1 V2 +12V +5V L IL R6 Uq (I)控制信号Ui为高电平 Ui=1 U2 U1 UON=1 Q=1 UODG1=0 截止Uq=1 V1导通，IL 上升 U1U2 （二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路 图图8-9斩波稳流式功率放大电路斩波稳流式功率放大电路 光耦合器 UR +80V VLC - + + N & 1 R D C Q DG1 DG2 DF R1 R2 R3 R4 R1 RL Up Ui VS2 VD2 VS1 V1 VD1 V2 +12V +5V L IL R6 Uq (II)控制信号Ui为低电平

19、 Ui=0 U2 U1 UODG2=0V2截止，IL 下降为0 经经D触发器引入触发器引入Up信号的主要目的是给信号的主要目的是给 定超声斩波频率，以避免单纯由定超声斩波频率，以避免单纯由R6上的上的 电压波动来控制电压波动来控制V1通断引入的不规则噪通断引入的不规则噪 声。声。 第二节可编程逻辑器件第二节可编程逻辑器件(PLD) PLD与定制器件的主要区别是可编程性，与定制器件的主要区别是可编程性， 其逻辑功能可由用户构造或设置。其逻辑功能可由用户构造或设置。 使用使用PLD设计优点设计优点 灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小， 降低系统故障率。降低系统故障率

20、。 PLD从其出现至今，经历了由从其出现至今，经历了由PROM、 FPLA到到PAL和和GAL的发展过程。的发展过程。 图8-10PLD电路单元图形符号及其真值表 B = A A A A B D E F C = A 0 0 0 0 1 B 0 1 0 0 1 A B C 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 D E F 图8-11通常与门和PLD与门的图形符号 A B C A & B D & D C 图8-12通常或门和PLD或门的图形符号 A B C A 1 B D 1 D C 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL （一）（一）PAL器件结构器件结构 （二）（二）PA

21、L器件的类型器件的类型 （三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例 （一）（一）PAL器件结构器件结构 图图8-13PAL器件的基本逻辑结构器件的基本逻辑结构 输入 & & & & & & & & & & & & & & & & 1 1 1 1 O2 O1 O0 O3 输出 可编程的 “与” 阵列 不可编程的 “或” 阵列 I0I1I 2 I 3 （二）（二）PAL器件的类型器件的类型 主要分主要分20引脚和引脚和24引脚两大类，还有引脚两大类，还有40 （或（或44）和）和80（或（或84）引脚的宏）引脚的宏PAL器器 件件 按电路能耗又可分为标准型、半功耗和按电路能耗又可分为标准型、半

22、功耗和 1/4功耗型；功耗型； 按运行速度又可分为标准型、高速和超按运行速度又可分为标准型、高速和超 高速型；高速型； 按可靠性又可分为军用和民用等。按可靠性又可分为军用和民用等。 （三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例 图8-14二相四绕组步进电动机驱动原理图 +E 步进电动机 步进时钟 CK 环 功 选中信号 E1 行 Q0 率 A 选中信号 E2 分 Q1 驱 B 初态设置 S 配 Q2 动 C 转向控制 D 电 Q3 电 D 路 路 图8-15环行分配器输出信号4序逻辑 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 表8-1 二相四绕组步进电机驱动步序 步进步序 1 010101

23、0 正 转反 转 Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3 110101010 210010110 301010101 401101001 1 表8-2步进电机状态功能选择 升沿0 001 步进电机反向旋转 CK E1E2 SD 状态功能 任意1任意任意任意保持电动机当前状 态 任意任意1任意任意保持电动机当前状 态 升沿001任意设置输出为初状态 升沿0000步进电机正向旋转 图8-16电动机驱动步序卡诺图 Q0n Q0n 0 1 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 1 D 0 0 1 1 Q2n Q2n a) b) 10.1 10.1 已知某直流电磁阀的驱动电流为已知某直流电磁阀的驱动电流为6

24、A，用用2mA 的标准的标准TTL电平实施控制，试设计一合适的驱动电电平实施控制，试设计一合适的驱动电 路。路。 按照图组成电路：其中场效按照图组成电路：其中场效 应晶体管应晶体管V1采用采用IRF640， 耐压耐压200(V)，极限工作电流极限工作电流 15(A)；泄流二极管泄流二极管VD需耐需耐 压压200(V)，极限工作电流极限工作电流 10(A)；箝位二极管箝位二极管VS的箝的箝 位电压为位电压为6.8(V)，极限工作极限工作 电流电流100(mA)；电阻电阻R 1为 为 510( )，电源，电源Ec按照直流电按照直流电 磁阀的要求取定。磁阀的要求取定。 +EC VD ZL IL R1 V V1 Ui VS 10.2 若图若图8-4中的负载中的负载ZL是电阻加热器，应在电是电阻加热器，应在电 路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？ 改动后的电路如图所示。改动后的电路如图所示。Ui为控制加热开始和停止的为控制加热开始和停止的 电平信号。电平信号。Us则为则为5kHz的矩形波。通过改变的矩形波。通过改变Us的占的占 空比，可控制空比，可控制V1的导通角，从而实现不同加热速度的的导